JP6699303B2 - 多層盛り突合せ溶接継手の製造方法、多層盛り突合せ溶接継手 - Google Patents

Description

本発明は、建築や土木の分野に用いられる構造部材に適用される溶接継手を製造する方法、及び溶接継手に関し、特に多層盛り突合せ溶接継手の製造方法、及び多層盛り突合せ溶接継手に関する。

建築や土木の分野において鋼骨組構造が用いられる際には、鋼材同士を溶接により接合する。一方、このような鋼骨組構造には所定以上の強度が必要とされるが、鋼骨組構造が、例えば地震等により力を受けて変形したときには、最大応力は多くの場合に溶接接合部の近傍で発生し、溶接止端部が破壊の起点になることが多い。そのため、溶接金属が破壊の起点になることを抑制するために、熱影響部（ＨＡＺ）の靱性を高めることが重要である。

特許文献１には、開先肩位置を基準に、２つのビード積層位置を寸法で規定し、これにより開先肩側の溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性を改善する技術が開示されている。
特許文献２には、開先周辺に冷間で予歪を付与した後に溶接することで、溶接熱影響で生成するγ粒を微細化しＨＡＺの靭性を改善する技術が開示されている。
特許文献３には、熱加工制御鋼板のＨＡＺの軟化を防止する溶接法が開示されている。

特開２００２−１７２４６２号公報 特開２０１５−９３２８９号公報 特開２０１２−２１０６５３号公報

引用文献１に記載の技術では、開先肩側のＨＡＺの靱性を向上させることができるが、開先背側についてはＨＡＺの靱性を向上させていない。例えば梁端溶接接合部では開先の肩側だけでなく背側も破壊の起点になり得ることから、両方についてＨＡＺの靱性向上をさせる必要がある。

引用文献２に記載の技術では、開先周辺に冷間で予歪を与えておく必要があり、このような工程を付加することは回避することが望まれる。

引用文献３に記載の技術では、熱加工制御鋼板を用いること、及び、化粧盛を行うことが必須であり、汎用性を高める必要がある。

そこで本発明は、鋼板の種類によらず、より簡易に開先の肩側及び背側のＨＡＺの靱性を向上させることができる、多層盛り突合せ溶接継手の製造方法を提供することを課題とする。また、そのための構造を有する多層盛り突合せ溶接継手を提供する。

以下、本発明について説明する。分かり易さのためここでは図面の参照符号を括弧書きで付記するが本発明はこれに限定されることはない。

請求項１に記載の発明は、レ形開先、Ｋ形開先、Ｊ形開先及び両面Ｊ形開先のいずれかによる多層盛り突合せ溶接継手（１０）の製造方法であって、各層を鉛直方向に配置し、各層ではビードを水平方向に積層する、下向き溶接であり、最後に盛る層は、開先肩側から開先背側に向けて順にビードを形成して積層するとともに、開先背側の最終のビード（１４ａ）の高さを被溶接材料（１１）の最終のビード側表面から、板厚が１５ｍｍ未満の場合は高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以上２５ｍｍ未満の場合は高さを２ｍｍ以上６ｍｍ以下、板厚が２５ｍｍ以上の場合は高さを２ｍｍ以上、開先幅の６／２５倍以下とするとともに、最終のビードの下端が被溶接材料の表面から０．３ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲となるように溶接する、多層盛り突合せ溶接継手の製造方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の多層盛り突合せ溶接継手（１０）の製造方法において、被溶接材料（１１、１２）の引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ^２以上６７０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼材である。

請求項３に記載の発明は、水平方向に配置された被溶接材間のレ形開先、Ｋ形開先、Ｊ形開先及び両面Ｊ形開先のいずれかによる多層盛り突合せ溶接継手（１０）であって、各層が鉛直方向に配置され、各層ではビードが水平方向に積層されており、最終層が開先肩側から開先背側へ向けて順に多層盛りされた形態とされ、開先背側の最終のビード（１４ａ）の高さが被溶接材料（１１）の最終のビード側表面から、板厚が１５ｍｍ未満の場合は高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以上２５ｍｍ未満の場合は高さを２ｍｍ以上６ｍｍ以下、板厚が２５ｍｍ以上の場合は高さを２ｍｍ以上、開先幅の６／２５倍以下とし、最終のビードの板厚方向下端部が被溶接材料の表面から０．３ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲にある、多層盛り突合せ溶接継手である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の多層盛り突合せ溶接継手（１０）において、被溶接材料（１１、１２）の引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ^２以上６７０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼材である。

本発明によれば、鋼板の種類によらず、より簡易に開先の肩側及び背側のＨＡＺの靱性を向上させることができる。

多層盛り突合せ溶接継手の溶接金属に注目した断面図である。 図２（ａ）、図２（ｂ）は、多層盛り突合せ溶接継手の製造方法を説明する図である。 多層盛り突合せ溶接継手の製造方法を説明する図である。 図４（ａ）、図４（ｂ）はシャルピー衝撃試験の試験片の採取について説明する図である。 硬さ測定について説明する図である。 図６（ａ）、図６（ｂ）は硬さ測定の結果を表すグラフである。 図７（ａ）、図７（ｂ）は硬さ測定の結果を表すグラフである。

以下本発明を図面に示す形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら形態に限定されるものではない。

図１は、１つの形態例を説明する図で、多層盛り突合せ溶接継手１０（以下単に「溶接継手１０」と記載することがある。）のうち溶接金属１４に注目して断面で表した図である。図１からわかるように、溶接継手１０は、開先背側母材１１、開先肩側母材１２、裏当て金１３、及び溶接金属１４を有して構成されている。ここで溶接継手１０を有する具体的な構造物は特に限定されることはなく、例えば建物の柱及び梁による構造物を挙げることができる。そのときには例えば当該溶接継手１０は梁端部と通しダイヤフラム端面との接合に用いられている。以下、各構成について説明する。ただし裏当て金１３は周知の構成のとおりであるから説明を省略する。

開先背側母材１１は、開先背側を構成する鋼材であり、鋼の種類は特に限定されることはないが、構造用鋼として用いられる引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ^２以上、６７０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼材を用いることができる。
開先背側母材１１としては例えば通しダイヤフラム等を挙げることができる。

開先肩側母材１２は、開先肩側を構成する鋼材であり、開先角度で傾斜した端面を有している。開先角度は例えば３０度〜４５度程度であるが、開先角度は任意に設定できる。この傾斜した端面（開先面）が上記した開先背側母材１１に対向するように配置され、この部位における開先背側母材１１と開先肩側母材１２との間隙（開先）に溶接金属１４が多層盛りで形成される。鋼の種類は特に限定されることはないが、構造用鋼として用いられる引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ^２以上、６７０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼材を用いることができる。
開先肩側母材１２としては例えば梁等を挙げることができる。

本発明の多層盛り突合せ溶接継手１０は、開先背側母材１１と開先肩側母材１２とが対向して配置された開先に多層盛りで溶接金属１４が形成されて両者を連結する溶接継手であるが、さらに次のような特徴を有して構成されている。
本発明の溶接金属１４は、多層盛り溶接により形成され、これにより層状構造となる。

さらに溶接金属１４は、最も外側に配置される層（最終層）の開先背側のビードである、最終ビード１４ａについて、その外側（下層に接する側とは反対側）における面の厚さ方向に最も突出した部位と開先背側母材１１の表面との母材厚さ方向の大きさｔは、２ｍｍ以上で、板厚が１５ｍｍ未満の場合はｔは５ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以上２５ｍｍ未満の場合はｔは６ｍｍ以下、板厚が２５ｍｍ以上の場合は、ｔは開先幅ｗ（ｍｍ）の６／２５倍以下、とされている。すなわち、
２（ｍｍ）≦ｔ≦５（ｍｍ） （母材板厚が１５ｍｍ未満）
２（ｍｍ）≦ｔ≦６（ｍｍ） （母材板厚が１５ｍｍ以上２５ｍｍ未満）
２（ｍｍ）≦ｔ≦ｗ・（６／２５）（ｍｍ） （母材板厚が２５ｍｍ以上）
である。

また、開先背側の最終ビード１４ａの内側（下層に接する側）の面の母材厚さ方向に最も深い部位と開先背側母材１１の表面との母材厚さ方向大きさｓは、０．３ｍｍ以上、６ｍｍ以下とされている。すなわち、
０．３（ｍｍ）≦ｓ≦６（ｍｍ）
である。

これにより、開先背側及び開先肩側のＨＡＺにおける靱性を向上させることができ、破壊に対して性能を高めることが可能となる。なおｔを、板厚が１５ｍｍ未満の場合は５ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以上２５ｍｍ未満の場合は６ｍｍ以下、板厚が２５ｍｍ以上の場合は開先幅ｗ（ｍｍ）の６／２５倍以下とすることにより、ビード止端への応力、歪集中を緩和し、破壊に対して性能を高めることができる（日本建築学会、建築工事標準仕様書、ＪＡＳＳ６ 鉄骨工事 付表３ 溶接 （３）完全溶け込み溶接突合せ継手の余盛の高さ 参照）。

本発明に用いられる溶接材料は、母材と同等強度以上のソリッドワイヤまたはフラックスコアードワイヤを用いることが好ましい。また、溶接方法はガスシールドアーク溶接またはセルフシールドアーク溶接が用いられることが好ましい。

次に、上記した溶接継手の製造方法について説明する。図２（ａ）、図２（ｂ）及び図３に説明のための図を示した。これらの図はいずれも図１と同じ視点による図である。

図２（ａ）は、最終ビード１４ａ（図１参照）の１つ下に配置される層で、最も開先背側に配置されるビード２０が盛られた場面である。このビード２０は開先背側母材１１に接し、その１つ前に盛られたビード２１はビード２０よりも開先肩側に配置されている。すなわち、図２（ａ）に直線矢印で示したように、このビード２０はその前までのビードの形成において、開先肩側から開先背側に向けて盛られてきて開先背側母材１１に接するビードとして形成されたものである。そしてビード２０によって、開先背側母材１１の表層付近にＨＡＺ２２が形成される。

ビード２０の次に、開先肩側母材１２に接し、溶接金属１４の外表面を形成する最終層を構成するビード２３を得る。ビード２３によって、開先肩側母材１２の表層付近にＨＡＺ２４が形成される。なお、ビード２３の止端部と開先肩部との距離は、溶接欠陥のアンダーカットを避けるため０ｍｍより大きくするが、溶接継手強度上からは５ｍｍ以上に大きくしても変化しないため５ｍｍ未満の長さに設定することが好ましい。この場合、溶接金属に隣接する開先肩側母材１２の熱影響部は、表面部で母材側に膨出することなくほぼ開先面に沿って形成される。

次に、図３に示したようにビード２３よりも開先背側にビード２５を盛る。ビード２５によって、ＨＡＺ２４に対する再熱を得る。すなわち、ビード２５は開先を充填する溶接金属１４を形成するために必要なビードであると同時に、開先肩側母材１２のＨＡＺ２４に対するテンパービードとして作用する。そして、同様にして開先背側にビードを配置し、最終的に開先背側母材１１に接し、溶接金属１４の外表面を形成する最終ビード１４ａを得る。従って、図３に直線矢印で示したように、このビード１４ａは、ビード２３から開先背側に向けて順に盛られてきて開先背側母材１１に接するビードとして形成された最終のビードである。最終ビード１４ａは開先を充填するために必要なビードであると同時に、開先背側母材１１のＨＡＺ２２に対するテンパービードとして作用する。

そして、これにより上記した溶接金属１４を形成する。
ここで、さらに上記溶接の際には、溶接時の入熱を１４ｋＪ／ｃｍ以上４１ｋＪ／ｃｍ以下でおこない、次パス溶接の直前の溶接金属温度であるパス間温度は３５０℃以下とされる。溶接時の入熱が１４ｋＪ／ｃｍより低いと、溶け込み不良による欠陥が出やすくなる。また、溶接時の入熱が大きいほど、溶接１パスあたりの充填量が大きくなり、ビード１４ａの高さを、板厚が１５ｍｍ未満の場合は５ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以上２５ｍｍ未満の場合は６ｍｍ以下、板厚２５ｍｍ以上の場合は６／２５×ｗ以内に抑えるためには、ビード２０の上面の高さを抑える必要が生じる。これにより、入熱が４１ｋＪ／ｃｍを超えると、ビード２０により生成されるＨＡＺ２２は開先背側の表層まで形成されず、ビード１４ａによる再熱は開先背側の表層では得られなくなってしまう。

以上のように多層盛り突合せ溶接継手を製造することにより開先背側及び開先肩側の両方においてＨＡＺの靱性を向上させることができ、破壊に対して性能を高めることが可能となる。これは、ビードが形成される位置、および溶接時の熱が母材に与える影響により、特に開先開口部の縁における母材が加熱（再熱）されるためだと推測される。

なお、ここではレ形開先の溶接金属について説明したが、開先形状はＪＩＳ Ｚ ３００１で定義されるレ形開先、Ｋ形開先、Ｊ形開先及び両面Ｊ形開先のいずれであってもよい。このような開先形状に形成された開先肩側母材１２の開先と開先背側母材１１とが、ＪＩＳ Ｚ ３００１で定義される突合せ継手、Ｔ継手、または角継手となるように配置され、この部位における開先背側母材１１と開先肩側母材１２との間隙（開先）に多層盛り溶接によって溶接金属１４が形成される。

実施例では各種溶接条件を設定し、衝撃試験でＨＡＺの靱性に関する評価をし、硬さ試験でＨＡＺの硬化に関する評価を行った。

表１に各試験の条件を表した。

なお、パス間温度は、いずれの試験でも各層の溶接において、最大温度で３５０℃以下となるように管理して溶接を行った。また、入熱についても各層の溶接を１４Ｊ／ｃｍ〜４１Ｊ／ｃｍで行っている。
また、開先は、ルートギャップを７ｍｍ、開先角度を３５度、及び開先幅を３５ｍｍとしている。

Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４についてシャルピー衝撃試験をおこなった。図４（ａ）、図４（ｂ）に試験片の採取位置を説明する図を表した。図４（ａ）は開先肩側、図４（ｂ）は開先背側である。試験片の形態及び試験はＪＩＳ Ｚ ２２４２に準じている。
ここではノッチ最深部のうち試験片厚さ方向（図４（ａ）、図４（ｂ）の上下方向）の中央（図４（ａ）、図４（ｂ）のＡ）がフュージョンライン（ＦＬ）上にある試験片、同様に当該中央がフュージョンラインから母材側に０．５ｍｍ移動した位置にある試験片（ＦＬ＋０．５ｍｍ）、及び、当該中央がフュージョンラインから母材側に１．０ｍｍ移動した位置にある試験片（ＦＬ＋１．０ｍｍ）をそれぞれ作製して試験をした。
表２に結果を示す。この結果は、１つの条件につき３片の試験片に対して測定を行い、その平均値で示してある。

表２からわかるように、特にＦＬ＋０．５ｍｍにおいて、開先肩側及び開先背側の両方において吸収エネルギーが増加し、靱性に関する改善が見られた。

Ｎｏ．１、Ｎｏ．２について、ビッカース硬さ測定を行った。図５に測定位置を表した。すなわち、母材の面から厚さ方向１ｍｍ、及び母材の厚さの四分の一である１０ｍｍの位置で、開先背側母材から開先肩側母材に向けて溶接金属を横切る線（図５のＶａ、Ｖｂ）に沿って所定の間隔で硬さを測定した。
結果を図６、図７に示した。図６（ａ）はＮｏ．１において線Ｖａに沿った硬さ測定結果、図６（ｂ）はＮｏ．２において線Ｖａに沿った硬さ測定結果、図７（ａ）はＮｏ．１において線Ｖｂに沿った硬さ測定結果、図７（ｂ）はＮｏ．２において線Ｖｂに沿った硬さ測定結果である。
図中、横軸の「位置」は背側のフュージョンラインを０とし、開先肩側母材に向かう方向を正、その逆を負としている。縦軸は硬さである。また記号○は母材、□はＦＬ、△はＨＡＺ、◇は溶接金属をそれぞれ表している。

図６（ｂ）に対して図６（ａ）、図７（ｂ）に対して図７（ａ）を見るとわかるように、ＨＡＺにおいて母材との硬さの差に注目すると、図６（ｂ）、図７（ｂ）では、図６（ａ）、図７（ａ）に対して小さくなっていることがわかる。

本例では母材として５５０Ｎ／ｍｍ^２級の鋼材を用いた例を挙げたが、母材が他の等級である４９０Ｎ／ｍｍ^２〜６７０Ｎ／ｍｍ^２であっても同様の効果を奏する。

１０ 溶接継手
１１ 開先背側母材
１２ 開先肩側母材
１３ 裏当て金
１４ 溶接金属

Claims (4)

1. レ形開先、Ｋ形開先、Ｊ形開先及び両面Ｊ形開先のいずれかによる多層盛り突合せ溶接継手の製造方法であって、
   各層を鉛直方向に配置し、前記各層ではビードを水平方向に積層する、下向き溶接であり、
   最後に盛る層は、開先肩側から開先背側に向けて順に前記ビードを形成して積層するとともに、開先背側の最終のビードの高さを被溶接材料の前記最終のビード側表面から、板厚が１５ｍｍ未満の場合は前記高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以上２５ｍｍ未満の場合は前記高さを２ｍｍ以上６ｍｍ以下、板厚が２５ｍｍ以上の場合は前記高さを２ｍｍ以上、開先幅の６／２５倍以下とするとともに、
   前記最終のビードの下端が前記被溶接材料の表面から０．３ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲となるように溶接する、多層盛り突合せ溶接継手の製造方法。
2. 前記被溶接材料の引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ^２以上６７０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼材である請求項１に記載の多層盛り突合せ溶接継手の製造方法。
3. 水平方向に配置された被溶接材間のレ形開先、Ｋ形開先、Ｊ形開先及び両面Ｊ形開先のいずれかによる多層盛り突合せ溶接継手であって、
   各層が鉛直方向に配置され、前記各層ではビードが水平方向に積層されており、
   最終層が開先肩側から開先背側に向けて順に多層盛りされた形態とされ、開先背側の最終のビードの高さが前記被溶接材料の前記最終のビード側表面から、板厚が１５ｍｍ未満の場合は前記高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以上２５ｍｍ未満の場合は前記高さを２ｍｍ以上６ｍｍ以下、板厚が２５ｍｍ以上の場合は前記高さを２ｍｍ以上、開先幅の６／２５倍以下とし、前記最終のビードの板厚方向下端部が前記被溶接材料の表面から０．３ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲にある、多層盛り突合せ溶接継手。
4. 前記被溶接材料の引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ^２以上６７０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼材である、請求項３に記載の多層盛り突合せ溶接継手。